Одной из наиболее ранних фундаментальных концепций бактериальной генетики является оперон, то есть группа совместно транскрибируемых и регулируемых генов (Jacob and Monod, 1961). Гипотеза оперона – выдающийся концептуальный прорыв Франсуа Жакоба и Жака Моно. Хотя за 50 лет, прошедших с момента ее первой публикации, было открыто огромное количество вариаций простой схемы регуляции лактозного оперона Lac репрессором, оперон выдержал проверку сравнительной геномикой как главный организационный принцип бактериальных и архейных геномов. В процессе эволюции опероны сохраняются гораздо лучше, чем протяженные синтении. Тем не менее сравнительный анализ порядка следования генов в бактериях и археях выявил небольшое количество оперонов, общих для широкого многообразия организмов. Как уже было отмечено ранее, высококонсервативные опероны, как правило, кодируют физически взаимодействующие белки, тенденция, легко объяснимая отбором, направленным против вредных эффектов дисбаланса между субъединицами сложных белковых комплексов. Наиболее эффектной иллюстрацией этой тенденции является рибосомный супероперон, включающий более 50 генов рибосомных белков, который встречается в различных комбинациях и локализациях во всех секвенированных архейных и бактериальных геномах. Анализ рибосомного супероперона и других частично сохраняющихся групп оперонов меньшего размера привел к идее сверхоперона (Lathe et al., 2000), или консервативного окружения гена (Rogozin et al., 2002), как некоего множества перекрывающихся, частично консервативных цепочек генов (известных или предсказанных оперонов; см. рис. 5–3). В дополнение к рибосомному супероперону, яркими примерами консервативного окружения являются предсказанная группа перекрывающихся оперонов, которая кодирует субъединицы экзосомного комплекса архей, и cas-гены, из которых состоит антивирусная система защиты (см. также гл. 9 и 10).
Большинство генов в каждом консервативном окружении кодируют белки, вовлеченные в один и тот же процесс или комплекс, но существуют и высококонсервативные участки, которые включают гены с функциями, как кажется, несвязанными. Яркий пример – частое присутствие гена енолазы в рибосомном окружении или генов субъединиц протеасомы в экзосомном окружении архей. Присутствие этих генов, на первый взгляд кажущихся неуместными в консервативном генном окружении, может объясняться скрытой функциональной связью, плейотропией (множественностью функций соответствующих белков), или «геномным автостопом», когда оперон объединяет гены функционально не связанные, но экспрессируемые в одинаковых условиях (Rogozin et al., 2002).
Концепция геномного окружения воплощает в себе парадигму эволюции генома прокариот, если не эволюции геномов вообще, так как она ярко демонстрирует баланс между частичным сохранением элементов ядра и огромной диверсификацией периферии (см. рис. 5–3а). Так же как для многих других объектов и их взаимоотношений в биологии, эти частично консервативные окружения могут быть естественным образом представлены в виде сети, в которой гены являются узлами, соседи соединены ребрами, а вес ребер пропорционален частоте встречаемости данной связи в геномах (см. рис. 5–3).
Рис. 5–3. Частично сохраняющееся окружение гена в геноме прокариот: а – перекрывающиеся, частично сохраняющиеся массивы генов. Гены показаны в форме стрелок с уникальной штриховкой или текстурой. Связывающие их жирные линии обозначают короткие межгенные промежутки, а тонкие линии показывают протяженные районы, разделяющие соответствующие гены. (Они содержат дополнительные гены и изображены без учета масштаба.) В случаях, в которых опероны не связаны, они могут располагаться в различных частях генома. На рисунке показаны реальные массивы генов, но названия конкретных геномов и генов не указаны, чтобы подчеркнуть общий характер геномной организации подобного типа. Данные по Rogozin et al., 2002; б – представление окружения гена в виде сети. Закрашенные окружности показывают гены, которые принадлежат к окружению, автоматически вычлененному с использованием алгоритма, описанного в Rogozin et al., 2002; показана только часть окружения. Незакрашенная окружность соответствует гену, который принадлежит окружению, но не был включен в него автоматической процедурой. Стрелки показывают связь между генами в оперонах (жирные стрелки соответствуют связям внутри окружения, а пунктирные стрелки – внешним связям). Толщина стрелок примерно пропорциональна числу геномов, в которых представлена данная пара генов.
Большинство оперонов находится не в сложном окружении, включающем разнообразные связи, а представляет собой простую последовательность от двух до четырех генов, порядок которых может различаться. Идентичные или похожие в смысле организации генов опероны часто обнаруживаются в сильно различающихся организмах и в различных функциональных системах. Примечательны в данном случае многочисленные опероны транспорта метаболитов, которые состоят из расположенных в одинаковом порядке генов, кодирующих трансмембранные пермеазы, АТФазы и периплазматические субъединицы так называемых ABC-транспортеров (три субъединицы обозначаются соответственно A, B и C). Присутствие таких общих оперонов в разнообразных бактериях и археях было интерпретировано в рамках гипотезы эгоистичного оперона (Lawrence, 1999), которая постулирует, что оперон так хорошо сохраняется не из-за функциональной важности совместной регуляции входящих в него генов, а из-за «эгоистичности» этой компактной генетической единицы, которая склонна к горизонтальному распространению среди прокариот (ниже в этой главе мы еще вернемся к данной концепции при обсуждении горизонтального переноса генов).
Систематическое сравнение расположения ортологичных генов в архейных и бактериальных геномах выявило относительно небольшую долю сохраняющихся (предсказанных) оперонов и гораздо большую распространенность уникальных директонов (последовательностей генов, считываемых в одинаковом направлении и разделенных короткими межгенными участками; Wolf et al., 2001). Как было показано, возможно несколько неожиданно, директоны довольно точно предсказывают опероны: большинство директонов в действительности, по-видимому, являются оперонами (Salgado et al., 2000). Таким образом, архейные и бактериальные геномы сформированы на оперонных принципах с небольшим числом высококонсервативных оперонов и намного более многочисленными редкими и уникальными оперонами. С учетом этого обстоятельства модель консервации оперонов, по крайней мере качественно, напоминает распределение кластеров ортологичных генов, с его трехкомпонентной структурой (см. выше): редкие гены и редкие опероны гораздо более многочисленны, чем повсеместно распространенные гены и опероны.
Степень «оперонизации» генома у бактерий и архей широко варьирует: некоторые геномы, например как у гипертермофильной бактерии Thermotoga maritima, почти полностью состоят из (предсказанных) оперонов, в то время как другие, как у большинства цианобактерий, по-видимому, содержат очень немного оперонов. Остается неясным, что определяет распространенность оперонов в организме, хотя высказывались предположения, что степень «оперонизации» зависит от баланса между интенсивностью рекомбинации и горизонтального потока генов, а также факторов отбора, препятствующих разрушению оперонов.
Регуляция экспрессии генов и передачи сигналов у бактерий и архей: от базовой схемы оперона к сверхоперонам, регулонам и сложным сетям
Бактерии и археи обладают сложной и элегантной системой регуляции экспрессии генов. Сравнительная геномика драматически изменила существующие взгляды на принципы организации, распределение в природе и эволюцию этих регуляторных механизмов. Концепция оперона Жакоба и Моно, представленная в предыдущем разделе как основной принцип локальной архитектуры бактериальных и архейных геномов, также является концепцией регуляции экспрессии генов и передачи сигналов у прокариот. В модели Жакоба – Моно регулятор (репрессор лактозы в их оригинальной работе) является сенсором внеклеточных и внутриклеточных сигналов (в данном случае концентрации лактозы), что влияет на структуру белка-регулятора и, опосредованно, на экспрессию оперона (в случае лактозного оперона репрессор, связывая лактозу, отсоединяется от регуляторной части оперона, делая тем самым возможной транскрипцию). В течение полувека, прошедших с момента фундаментального открытия Жакоба – Моно, было обнаружено множество вариаций этой темы, включая регуляторы, которые симметрично влияют на транскрипцию разных расположенных по соседству генов, и глобальные регуляторы, которые контролируют экспрессию многочисленных разрозненных генов и оперонов, в противоположность репрессору простого оперона в модели Жакоба – Моно. Наиболее заметными глобальными регуляторами являются белки – подавители катаболизма (CRP) и регулятор ответа на стресс (SOS) LexA. С учетом открытия этих и других глобальных регуляторов концепция оперона была усовершенствована понятием регулона – набора генов, экспрессия которых регулируется одним и тем же белком-регулятором. Сравнительный геномный анализ регулонов выявил их чрезвычайную эволюционную пластичность с существенными различиями между регулонами даже у близкородственных организмов (Lozada-Chavez et al., 2006). Глобальные регуляторы транскрипции, такие как LexA, широко распространены и высококонсервативны в различных бактериях, но состав генов в регулоне LexA является очень вариативным. Пластичность регулонов, наряду с изменчивостью архитектуры генома (см. выше), хорошо согласуется с идеей, что регуляция экспрессии генов и архитектура генома в эволюции архей и бактерий тесно взаимосвязаны. В резком контрасте с изменчивостью и пластичностью регулонов, регуляторы транскрипции у бактерий и архей демонстрируют примечательное единство архитектуры и структуры. Как правило, эти регуляторы содержат домен, связывающий небольшие молекулы-сенсоры и ДНК-связывающий домен. Подавляющее большинство ДНК-связывающих доменов являются вариациями одной и той же структурной темы, спираль – поворот – спираль. Более специфические, но тоже распространенные домены связывания с ДНК включают мотивы лента – спираль – спираль и цинковая лента (Aravind et al., 2005; Aravind and Koonin, 1999).
